DE102008011856A1 - High strength low alloy steel for seamless tubes with excellent weldability and corrosion resistance - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen hochfesten Stahl und ein hochfestes schweißbares Stahlrohr. Der hochfeste niedriglegierte Stahl für nahtlose Stahlrohre mit hervorragender Schweißbarkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion mit einer Mindeststreckgrenze von 620 MPa und einer Zugfestigkeit von mindestens 690 MPa ist durch die im Anspruch 1 angegebene Zusammensetzung charakterisiert.The invention relates to a high-strength steel and a high-strength weldable steel pipe. The high-strength low-alloy steel for seamless steel pipes with excellent weldability and resistance to stress corrosion cracking with a minimum yield strength of 620 MPa and a tensile strength of at least 690 MPa is characterized by the composition specified in claim 1.
Description
Die Erfindung betrifft einen hochfesten niedriglegierten Stahl für nahtlose Stahlrohre mit hervorragender Schweißbarkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion gemäß Patentanspruch 1.The The invention relates to a high strength low alloy steel for seamless steel tubes with excellent weldability and Resistance to stress corrosion cracking according to claim 1.
Nahtlose Rohre aus hochfesten Stählen werden z. B. für Leitungsrohre zum Transport von Öl oder Gas verwendet, die sowohl onshore wie auch offshore verlegt werden.seamless Tubes made of high-strength steels are z. For example Conduits used to transport oil or gas, which are laid both onshore and offshore.
In den vergangenen Jahren haben die Rohrhersteller starke Anstrengungen unternommen, um die gestiegenen Anforderungen einerseits bezüglich Materialeinsparung, z. B. durch Verringerung der Wanddicke bei gleichen Materialanforderungen und andererseits die Forderung zur Auslegung von Rohrleitungen auf höhere Betriebsdrücke beim Gastransport zu bewältigen.In The pipe manufacturers have made great efforts in recent years on the one hand with regard to the increased requirements on the one hand Material saving, z. B. by reducing the wall thickness at the same Material requirements and on the other hand, the requirement for interpretation of piping to higher operating pressures when To cope with gas transport.
Legierungen,
die üblicherweise für nahtlose Leitungsrohre verwendet
werden, sind für Stahlguten bis 80 ksi (X80) in Standards,
wie zum Beispiel der API 5L, der DNV-OS-F101 und der
Während bislang standardmäßig für Rohrleitungen Stahlguten bis X80 (Rp0,2: min 551 MPa, Rm: min 620 MPa gemäß API 5L verwandt wurden, besteht jetzt zunehmender Bedarf für hochfeste Stähle der Festigkeitsklasse bis 100 ksi (X100)(Rp0,2: min. 690 MPa, Rm: min. 760 MPa).While steel good up to X80 (R p0.2 : min 551 MPa, R m : min 620 MPa according to API 5L) has been used by default for pipelines, there is now an increasing demand for high strength steels of strength class up to 100 ksi (X100) (R p0.2 : at least 690 MPa, R m : at least 760 MPa).
Werden diese Stähle für Rohrleitungen für den Öl- und Gastransport verwendet, bestehen jedoch hohe Anforderungen bezüglich ihrer Schweißbarkeit (z. B. Rohrverbindungsschweißung), ihrer Zähigkeit bei tiefen Temperaturen bis –40°C und einer Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion, insbesondere für Gasrohrleitungen, die H2S belastetes Gas (Sauergas) transportieren.Become these steels for pipelines for the oil and gas transport used, but there are high demands their weldability (eg pipe joint welding), their toughness at low temperatures down to -40 ° C and a resistance to stress corrosion cracking, in particular for gas pipelines, H2S polluted gas (sour gas) transport.
Für geschweißte, nach dem UOE-Verfahren hergestellte Stahlrohre, sind Stahlguten bis 100 ksi (X100) oder sogar 120 ksi (X120) allgemein bekannt.For welded steel tubes produced by the UOE process, are steel good up to 100 ksi (X100) or even 120 ksi (X120) in general known.
Bei diesen Stählen werden die geforderten Eigenschaften nicht über verstärkten Legierungseinsatz, sondern durch Kombination eines möglichst niedrigen Legierungsgehaltes mit thermomechanischem Walzen des zu einem Rohr umzuformenden Bleches erreicht.at These steels do not transfer the required properties reinforced alloy insert, but by combination the lowest possible alloy content with thermomechanical Rolling of the sheet to be formed into a tube achieved.
Für die Herstellung warmgewalzter nahtloser Rohre ist dieses Konzept jedoch nur bedingt oder gar nicht anwendbar, da die spezifische Temperaturführung bei der Warmfertigung nahtloser Rohren nicht die erforderliche Absenkung der Umformtemperatur für die Anwendung bekannter Konzepte für thermomechanische Behandlungen erlaubt.For the production of hot-rolled seamless pipes is this concept but only conditionally or not at all applicable, since the specific Temperature control in the hot production of seamless tubes not the required lowering of the forming temperature for the application of known concepts for thermomechanical treatments allowed.
Für warmgewalzte nahtlose Rohre ist es deshalb erforderlich, die geforderten Eigenschaften insbesondere über ein angepasstes Legierungskonzept und über eine gezielte Einstellung eines anforderungsgerechten feinkörnigen Gefüges durch eine nachträgliche Vergütungsbehandlung zu erreichen.For Hot rolled seamless pipes therefore it is required to meet the required Properties in particular via an adapted alloy concept and about a targeted setting of a requirement-oriented fine-grained texture by a subsequent To achieve compensation treatment.
Die geforderte Steigerung der Festigkeit bei ausreichender Zähigkeit von warmgefertigten nahtlosen Rohren für die beschriebenen Anwendungsbereiche erfordert die Entwicklung neuer Legierungskonzepte. Speziell im Streckgrenzenbereich ab 500 MPa ist es mit den bekannten Legierungskonzepten schwierig, ausreichende Zähigkeiten und eine ausreichende Sauergasbeständigkeit bei gleichzeitiger guter Schweißbarkeit zu erreichen.The Required increase in strength with sufficient toughness of hot-finished seamless tubes for the described Areas of application require the development of new alloy concepts. specially in the yield range from 500 MPa it is with the known alloy concepts difficult, sufficient toughness and sufficient Sour gas resistance coupled with good weldability too to reach.
Der die Festigkeit steigernde Mechanismus, der gleichzeitig zu einer Steigerung der Zähigkeit führt, ist bekanntermaßen die Verringerung der Korngröße. Diese kann u. a. durch Zulegieren von Nickel und Molybdän und der damit verbundenen Verringerung der Umwandlungstemperatur erzielt werden.Of the the strength-increasing mechanism, which at the same time becomes one Increasing toughness is known to be the reduction of grain size. This can u. a. by alloying nickel and molybdenum and the so associated reduction in the transformation temperature can be achieved.
Molybdän verbessert zusätzlich die Anlassbeständigkeit bei höheren Anlasstemperaturen und die Durchhärtbarkeit. Die Zugabe von Nickel verschlechtert allerdings ab einem bestimmten Legierungsgehalt die Oberflächenqualität der warmgewalzten Rohre deutlich.molybdenum additionally improves tempering resistance at higher tempering temperatures and through hardenability. However, the addition of nickel deteriorates from a certain Alloy content the surface quality of hot rolled Pipes clearly.
Eine Festigkeitssteigerung durch eine deutliche Erhöhung des Kohlenstoffgehalts führt zu einer Verschlechterung der Zähigkeit und zu einer starken Erhöhung des Kohlenstoffäquivalents.An increase in strength through a significant increase in the carbon content leads to a Ver deterioration of toughness and a large increase in the carbon equivalent.
Aus diesem Grund muss eine solche Legierungszugabe von zähigkeitssteigernden Maßnahmen flankiert werden. Das Kohlenstoffäquivalent erweist sich häufig als eine Herausforderung, welche die Analysenwahl zum Teil stark einschränkt.Out For this reason, such alloying addition of toughening Measures are flanked. The carbon equivalent often proves to be a challenge, which the Restricting choice of analysis partly strong.
Zur Steigerung der Festigkeit werden zusätzlich Mikrolegierungselemente wie Titan, Niob und Vanadium eingesetzt. Titan scheidet sich bei hohen Temperaturen teilweise bereits in der flüssigen Phase als recht grobes Titannitrid aus. Niob bildet bei niedrigeren Temperaturen Niobkarbonitrid-Ausscheidungen. Mit weiter abnehmender Temperatur reichert sich zusätzlich Vanadin in Karbonitriden an, d. h. es ist mit der Ausscheidung von VC-Teilchen zu rechnen.to Increasing the strength additionally micro-alloying elements such as titanium, niobium and vanadium used. Titanium separates high temperatures partly already in the liquid phase as a fairly coarse titanium nitride. Niobium forms at lower temperatures Niobkarbonitrid precipitates. With further decreasing temperature Vanadium additionally accumulates in carbonitrides, i. H. it is to be expected with the excretion of VC particles.
Zu grobe Ausscheidungen dieser Mikrolegierungselemente wirken sich negativ auf die Zähigkeitseigenschaften und die Sauergasbeständigkeit aus. Daher darf der Gehalt dieser Legierungselemente nicht zu hoch sein. Des Weiteren müssen die Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff, die für die Bildung der Ausscheidungen erforderlich sind, berücksichtigt werden.To coarse precipitations of these micro-alloying elements have an effect negative for toughness properties and sour gas resistance out. Therefore, the content of these alloying elements should not be too high be. Furthermore, the levels of carbon and Nitrogen required for the formation of excreta are taken into account.
Ein
hochfester niedrig legierter Stahl für warmgewalzte nahtlose
Stahlrohre, der die Anforderungen eines X100 nach API 5L für
geschweißte Rohre erfüllt, ist aus der
Dieser bekannte Stahl weist nach einer Vergütungsbehandlung zwar die für einen X100 (100 ksi) geforderten mechanischen Eigenschaften und Schweißbarkeit auf, über die Verwendung als Gasleitungsrohr für mit H2S belastetem Gas (Sauergas) im Hinblick auf eine mögliche Spannungsrisskorrosion, wird jedoch keine Aussage getroffen. Die sich bei dem bekannten Stahl möglicherweise bildenden Chromcarbide können jedoch die Sauergasbeständigkeit negativ beeinflussen.Although this known steel has the mechanical properties and weldability required for a X100 (100 ksi) after a tempering treatment, its use as a gas pipe for H 2 S-loaded gas (sour gas) with regard to possible stress corrosion cracking is not stated , However, the chromium carbides possibly forming in the known steel may adversely affect acid gas resistance.
Weiterhin sind die Ni-Gehalte mit bis zu 1% bei dem bekannten Stahl sehr hoch, was sich in der Bildung von Klebzunder auf der Oberfläche beim Warmwalzen der Rohre, z. B. beim Warmpilgern, Rohrkontiverfahren, etc., auswirken kann und die Oberflächenqualität der Rohre stark beeinträchtigen und eine aufwändige zerspanende Nacharbeit der Oberfläche erforderlich machen würde.Farther the Ni contents are up to 1% in the known steel very high, resulting in the formation of adhesive on the surface during hot rolling of the tubes, z. B. in warm pilots, Rohrkontiverfahren, etc., and can affect the surface quality severely impair the pipes and a complex machining Rework the surface would require.
Die
Anforderungen an Leitungsrohre für die vorgenannten Anwendungsbereiche
lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Streckgrenze Rp0,2 min.: 620 MPa (90 ksi) bzw. 690 MPa
(100 ksi)
- • Zugfestigkeit Rm min: 690 MPa (90 ksi) bzw. 760 MPa (100 ksi)
- • Kerbschlagarbeit Av (längs): 90 J bei –40°C
- • Gewährleistung der allgemeinen Schweißbarkeit
- • niedriger, bzw. eingeschränkter Ni-Gehalt
- • Korrosionsbeständigkeit auch beim Transport von H2S belastetem Gas (Sauergas)
Yield strength R p0.2 min .: 620 MPa (90 ksi) or 690 MPa (100 ksi)
- Tensile strength Rm min: 690 MPa (90 ksi) or 760 MPa (100 ksi)
- • Impact work Av (longitudinal): 90 J at -40 ° C
- • Ensuring general weldability
- • low or limited Ni content
- • Corrosion resistance even when transporting H 2 S contaminated gas (sour gas)
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen niedrig legierten Stahl für die Herstellung hochfester schweißbarer nahtloser Stahlrohre anzugeben, der die genannten Anforderungen hinsichtlich Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kerbschlagarbeit sicher erfüllt und darüber hinaus eine gute allgemeine Schweißbarkeit sowie eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit bei Sauergaseinsatz gewährleistet und nach dem Warmwalzen eine einwandfreie Oberfläche aufweist.task The invention is a low cost low alloyed Steel for the production of high-strength weldable Seamless steel tubes indicate the requirements mentioned safe in terms of yield strength, tensile strength and impact energy meets and beyond that a good general Weldability and sufficient corrosion resistance guaranteed in sour gas use and after hot rolling has a perfect surface.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.These The object is achieved with the features of claim 1. Advantageous developments are the subject of dependent claims.
Nach
der Lehre der Erfindung wird für einen niedrig legierten
Stahl zur Herstellung hochfester schweißbarer warmgewalzter
nahtloser Stahlrohre, eine Stahl mit folgender chemischer Zusammensetzung vorgeschlagen:
0,030–0,12%
C
max. 0,40% Si
1,30–2,00% Mn
max. 0,015%
P
max. 0,005% S
0,020–0,050% Al
0,20–0,60%
Ni
0,10–0,40% Cu
0,20–0,60% Mo
0,02–0,10%
V
0,02–0,06% Nb
max. 0,0100% N
Rest Eisen
mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe
von Ti und der Maßgabe, dass die Summe der Gehalte an Ti
+ Nb + V einen Wert von ≥ 0,04 bis ≤ 0,15% und
das Verhältnis Cu/Ni einen Wert von < 1 aufweist.According to the teachings of the invention, for a low alloy steel for producing high strength weldable hot rolled seamless steel tubes, a steel having the following chemical composition is proposed:
0.030-0.12% C
Max. 0.40% Si
1,30-2,00% Mn
Max. 0.015% P
Max. 0.005% S
0.020-0.050% Al
0.20-0.60% Ni
0.10-0.40% Cu
0.20-0.60% Mo
0.02-0.10% V
0.02-0.06% Nb
Max. 0.0100% N
Residual iron with melting impurities, with optional addition of Ti and the proviso that the sum of the contents of Ti + Nb + V is a value of ≥ 0.04 to ≤ 0.15% and the ratio Cu / Ni a value of <1 having.
Die
erfindungsgemäße Stahllegierung setzt auf der
Entwicklung der Leitungsrohrstähle nach API 5L,
Die im Zuge der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuche haben überraschend gezeigt, dass im Vergleich zur bekannten Stahllegierung unter Verzicht auf die Zugabe von Cr, die Einhaltung eines bestimmten Cu/Ni Verhältnisses die Sauergasbeständigkeit für diese Festigkeitsstufe deutlich positiv beeinflusst ohne die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit und Zähigkeit) sowie die Schweißbarkeit negativ zu beeinflussen.The Experiments conducted in the course of the present invention have surprisingly shown that compared to the known Steel alloy waiving the addition of Cr, adherence a certain Cu / Ni ratio, the sour gas resistance for this strength level clearly influenced positively without the mechanical properties (strength and toughness) and negatively affecting weldability.
Neben Nickel besitzt auch Kupfer einen positiven Effekt auf die Sauergasbeständigkeit. Kupfer allein zulegiert beeinflusst die Warmumformbarkeit negativ und schädigt die Korngrenzen. Durch das Zulegieren von Ni mit einem zusätzlich hinsichtlich Sauergasbeständigkeit abgestimmten Cu/Ni-Verhältnis (Cu/Ni < 1) wird dies kompensiert.Next Nickel also has a positive effect on sour gas resistance. Copper alloyed alone negatively affects the hot workability and damages the grain boundaries. By alloying Ni with an additional acid sour gas resistance tuned Cu / Ni ratio (Cu / Ni <1) this is compensated.
Die Kombination des erfindungsgemäßen Legierungskonzeptes als Basis und die nach dem Warmumformprozess erforderliche Vergütung begründen die Sauergasbeständigkeit des entwickelten nahtlosen Stahlrohres.The Combination of the alloy concept according to the invention as a basis and the compensation required after the hot forming process justify the acid gas resistance of the developed seamless steel pipe.
Die Summe der Gehalte an Titan, Niob und Vanadin ist mit einem Wert von ≥ 0,04% einerseits ausreichend hoch, um die geforderte Festigkeitssteigerung zu erreichen aber mit ≤ 0,15% auch ausreichend niedrig, um die geforderten Zähigkeitseigenschaften und ausreichende Sauergasbeständigkeit zu gewährleisten.The Sum of the contents of titanium, niobium and vanadium is one value of ≥ 0.04% on the one hand sufficiently high to the required Strength increase but with ≤ 0.15% also sufficiently low to achieve the required toughness properties and to ensure sufficient sour gas resistance.
Je nach Kundenanforderung lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Legierungskonzept vorteilhaft sowohl ein Stahl mit der Gütestufe 90 ksi (X90), als auch 100 ksi (X100) erreichen unter Einhaltung aller für die jeweilige Gütestufe bekannten Anforderungen.ever according to customer requirements can be with the invention Alloy concept advantageous both a steel with the quality level 90 ksi (X90), as well as 100 ksi (X100) achieve compliance all known requirements for the respective quality level.
Der Ni-Gehalt ist mit max. 0,60% ausreichend niedrig, um bei den für diese Stahlgüte hauptsächlich angewandten Rohrherstellungsverfahren eine ausreichend gute Oberflächenqualität zu erzeugen.Of the Ni content is with max. 0.60% low enough to be at the for This steel grade mainly applied pipe manufacturing process to produce a sufficiently good surface quality.
Die
aus einer Betriebsschmelze mit der nachfolgend aufgeführten
erfindungsgemäßen Stahllegierung erzeugten nahtlosen
Stahlrohre weisen ausgezeichnete Werte hinsichtlich ihrer Festigkeits-
und Zähigkeitseigenschaften auf.
0,10% C
0,30%
Si
1,68% Mn
0,015% P
0,002% S
0,026% Al
0,19%
Cu
0,48% Ni
0,37% Mo
0,047% V
0,042% Nb
0,003%
Ti
0,006% N
mit Cu/Ni = 0,40 und Ti + Nb + V = 0,092The seamless steel tubes produced from an operating melt with the steel alloy of the invention listed below have excellent strength and toughness properties.
0.10% C
0.30% Si
1.68% Mn
0.015% P
0.002% S
0.026% Al
0.19% Cu
0.48% Ni
0.37% Mo
0.047% V
0.042% Nb
0.003% Ti
0.006% N
with Cu / Ni = 0.40 and Ti + Nb + V = 0.092
Hieran
wurden die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Werte
ermittelt. Die Werte sind die Mittelwerte aus jeweils drei Zugproben,
bzw. drei Kerbschlagbiegeproben. Die Proben wurden als Längsproben aus
betrieblich erzeugten wärmebehandelten Rohren entnommen.
- AD: Außendurchmesser, WD: Wanddicke
- OD: outer diameter, WD: wall thickness
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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